1 USB2.0的主要特點
USB協(xié)議的2.0版本于2000年4月推出，支持以下3種速度模式：低速模式(low speed)1.5Mb/s；全速模式(full speedl 12Mb/s；高速模式(high speed)480Mb/s。它支持現(xiàn)存的所有USB設(shè)備．可以把USB1.1設(shè)備插入USB1.1的PC機接口，并且在電氣上兼容USB1.1的連接線。
1.1 USB總線特點
◆數(shù)據(jù)傳輸速率高；
◆數(shù)據(jù)傳輸可靠；
◆同時掛接多個USB設(shè)備；
◆USB接口能為設(shè)備供電；
◆支持熱插拔。
1.2 USB的新特性
USB還具有一些新的特性。如：實時性(可以實現(xiàn)和一個設(shè)備之間有效的實時通信)、動態(tài)性(可以實現(xiàn)接口間的動態(tài)切換)、聯(lián)合性(不同的而又有相近特性的接口可以聯(lián)臺起來)和多能性(各個不同的接口可以使用不同的供電模式)。
2 LonWorks接口卡硬件設(shè)計
2.1 LonWorks接口卡通信原理及硬件結(jié)構(gòu)
該接口卡的工作原理如下：接口卡由LON網(wǎng)接口模塊和USB2.0接口模塊組成，如圖1所示，它采用雙CPU技術(shù)，主CPU為USB2.0控制器CY7C68013內(nèi)置的增強8051內(nèi)核(該內(nèi)核的運行速度是普通8051的5倍)，主要作為協(xié)議的轉(zhuǎn)換模塊，用來完成USB2.0協(xié)議與LonTalk協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，向上與便攜PC機(或其它具有USB接口的便攜設(shè)備)進行通信，向下與3150進行并口通信，輔CPU為TMPN3l50，主要起LON網(wǎng)接口的功能，作為通信協(xié)處理器使用，將從主CPU接收到的來自便攜PC機(或其它具有USB接口的便攜設(shè)備)的報文解析成Lontalk協(xié)議報文并通過Lonworks收發(fā)器傳向LON網(wǎng)，或?qū)腖ON網(wǎng)上接收到的Lontalk協(xié)議報文轉(zhuǎn)發(fā)給主CPU，再由主CPU傳向便攜PC機(或其它具有USB接口的便攜設(shè)備)。51CPU與Neuron 3150采用并行方式通信。Neuron芯片的11個I/O有34種可選工作模式，其中包括并行I/O方式，該方式數(shù)據(jù)的最大傳送速率可達3.3Mbps。并口工作方式在數(shù)據(jù)傳送速度方面的優(yōu)勢，使得Neuron芯片與51CPU完成大數(shù)據(jù)量的傳送成為可能。它們之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過運用“虛寫令牌傳遞機制”實現(xiàn)的，擁有令牌的一方擁有對數(shù)據(jù)總線的寫控制權(quán)。
2. 2 LonWOrks接口卡硬件電路設(shè)計
該接口卡中，USB2.O控制器采用Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013，它是USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8.5KB片上RAM的高速8051單片機、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.O收發(fā)器。它無需外加芯片即可完成高速USB傳輸，性價比較高。智能串行接口引擎(SIE)執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來用于實現(xiàn)專用的功能，井保證其持續(xù)高性能的傳輸速率。通用可編程接口(GPIF)允許它“無膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進行連接，并且還支持所有通用總線標準，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。它完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。
3150芯片選用Toshiba公司生產(chǎn)的TMPN3150。3150片內(nèi)存儲器的地址范圍是E800H～FFFH，包括2KB的SRAM和512B的EEPROM。3150可以外接存儲器，如RAM、ROM、EEPROM或Flash，其地址范圍是0000H～7FFH。根據(jù)一般應(yīng)用的性能和成本要求，3l50的外部存儲器采用Flash和RAM。Flash選用IS61C256AH-15N，RAM選用AT29C512。61C256和29C512的地址范圍通過邏輯門電路根據(jù)Neuron芯片的地址線和控制線E來確定。51與3l50采用3150的并口通信方式，將Neuron芯片的IO0～IO7作為8根數(shù)據(jù)線與51CPu的PB（PB0-PB7）口相連-108作為片選信號線e§）與51CPU的PCO口相連．IO9作為數(shù)據(jù)讀/寫信號線(R/W)與51CPU的PC6口(寫信號)相連。IO10作為握手信號線(HS)與51CPU的PC1口相連。
為提高增加接口卡的可靠性及穩(wěn)定性，本設(shè)計增加了一個鎖存器，完成復位接口的功能。當3150芯片復位時，通過鎖存器將復位信號傳送給CY7C68013內(nèi)置的8051處理器，8051接到復位信號自動復位，并馬上清鎖存器，其接線如圖2所示。在并口通信中，8051與3150同步非常重要，要完成并口通信，8051首先要與3150達到同步且同步操作必須在3150復位時進行。8051只在初始化程序時才與3150進行同步操作。因此完成同步后，每當3l50由于誤操作或錯誤運行而造成復位時，3150與8051將會失去同步，而8051無法檢測到，從而造成并口通信失敗。加入鎖存器之后，8051就能檢測到3150的復位信號并自動復位自己的程序，使得8051與3150再次達到同步。這將使適配器的可靠性和穩(wěn)定性都得到加強。
Neuron芯片與LON網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的接口采用一種LonWorks自由拓撲型收發(fā)器FTT-IOA。FTT-IOA是一種變壓器耦臺收發(fā)器，可提供一個與雙絞線的無極性接口，且支持網(wǎng)絡(luò)的自由拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)采用最常用的雙絞線。
2.3接口卡的抗干擾設(shè)計
工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境一般來說較為惡劣．存在多種干擾。為保證通信的準確無誤，延長硬件使用壽命，該適配器除采用通常的供電和接地抗干擾措施外，主要是要避免和消除來自網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的靜電泄放(ESD)和電磁干擾(EMI)，即主要針對FTT-IOA來設(shè)計抗干擾電路。
對于ESD，在印刷電路板(PCB)設(shè)計中應(yīng)提供一個導入大地的通道．還要不致引起整個PCB電壓的升降。具體采用火花放電隙和箝位二極管來實現(xiàn)。對于EMI，因為FTT-IOA對垂直雜散電磁場最不敏感，而對水平雜散電磁場最敏感。所以在PCB設(shè)計中應(yīng)使FTT-IOA盡量遠離水平雜散電磁場區(qū)域。對于不可避免的雜散電磁場，應(yīng)使其相對于FTT-IOA垂直分布。
3 LOnWorks接口卡軟件設(shè)計
3.1 Neuron芯片的編程語言——Neouron C
Neuron芯片有一套專門的開發(fā)語言——Neuron C。Neuron C派生于ANSI C，并增加了對I／O、事件處理、報文傳送和分市式數(shù)據(jù)對象的支持，是開發(fā)Neuron芯片應(yīng)用程序的重要工具。其語法擴展包括軟件定時器、網(wǎng)絡(luò)變量、顯式報文、多任務(wù)調(diào)度、EEPROM變量和附加功能等。其中，顯示報文的使用為LON節(jié)點間的通信及互操作提供了基礎(chǔ)。通過對不同節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，即可實現(xiàn)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳遞。也就是說，LON接口卡中的3150通過構(gòu)造和解析報文實現(xiàn)了與LON網(wǎng)用戶節(jié)點的通信。
3．2 CY7C6801 3的開發(fā)工具
Cypress公司對CY7C680 1 3提供了較為完備的開發(fā)套件CY3681。它包括帶128腳CY7C68013的硬件開發(fā)板、相應(yīng)的控制面板(Control panel)和GPIF代碼自動生成軟件(GPIFT001)。對于內(nèi)核8051的開發(fā)采用Keil開發(fā)工具。
3．3 LonWorks接口卡的軟件設(shè)計
該接口卡的程序包含兩大部分：一是存儲在CY7C68013中的USB驅(qū)動程序和與3150的并口通信程序：二是存儲在3150外部Flash中的并口通信程序以及LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。USB驅(qū)動程序在開發(fā)套件CY368 1中已有支持用戶，只要調(diào)用即可。而與31 50的并口通信程序則采用Keil C51語言編寫，并通過usB口下載到CY7C68013的8051內(nèi)核中。3150外部Flash中的并口通信程序以及LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換程序采用Neuron C語言編寫，并采用LonWorks開發(fā)工具——LonBuilder中的Neuron C編譯器對程序進行編譯，生成ROM映像文件，最后下載到片外Flash中。
在8051的并口通信程序中，需要模擬3150的并口通信從A方式。以下為并口通信程序中主要模塊的C51程序，包括同步模塊(sync—loop())；握手模塊(hndshkO)；并口數(shù)據(jù)傳送接收模塊(pio read()；pio write(void))；令牌傳遞模塊(pass token())。
void sync-loop(void)
{unsigned char rb；
do{RW=0；hndshk()；PB=CMD RESYNC；CS=0；CS=I；hndshk（）；
PB=EOM；CS=0；CS=1；hndshk（）；PB=0xff；RW=I；CS=0；rb=PB；
CS=I；}while(rb!=CMD ACKSYNC)；token=MASTER；}
void hndshk(void)
{while((hs=INTO)==1)；}
void pio_read(void)
{unsigned char cmd；unsigned char i；
PB=0xff；hndshk（）；RW=1；cmd=PB；CS=0；CS=1；
if(cmd==CMD—XFER){hndshk()；pio．1en=PB；CS=0；CS=1；}
else pio．1en=o=pass—token()；}
void pio-write(void)
{unsigned char sd；
hndshk（）；RW=0；PB=CMD—XFER；CS=0；CS=1；hndshk0；PB=pio．
1en；CS=0；CS=1：
for(sd=0；sd<pio．1en；sd++){hndshk（）；PB=pio．dat[sd]；CS=0；CS=l；}
pass_token()；RW=1；}
void pass_token(void)
{ifftoken==MASTER){hndshk()；RW=0；PB=EOM；CS=0；CS=1：
token=SLAVE；}
else token=MASTER；}
根據(jù)硬件設(shè)計，將3150芯片的I／O定義為并行(parallel)I／O對象類型。定義并行I／O對象的Neuron C源代碼為IO 0 parallel slave P BUS，其中，P BUS為所定義的I／O對象名稱。Neuron將從并口得到的報文解析，再利用Neuron C的消息傳送機制，將解析的消息傳送給適配器下層的應(yīng)用節(jié)點。讀取數(shù)據(jù)的Neuron C函數(shù)為io_in()，其格式如下：io in(P BUS，addressl)；
其中，P_BUS為并口IO對象名稱，addressl為接收并口數(shù)據(jù)的地址。發(fā)消息的Neuron C函數(shù)為msg send()。
值得注意的是，Neuron芯片的應(yīng)用CPU在執(zhí)行該io_in()函數(shù)時會處于等待狀態(tài)，也就是說等待數(shù)據(jù)時應(yīng)用CPU不能處理其它I／O事件、定時器終止、網(wǎng)絡(luò)變量更新或報文到達事件。如果2 0字符時間內(nèi)尚沒有接收到數(shù)據(jù)，則可能使Wat Chdog定時器產(chǎn)生超時錯。在10MHz的輸入時鐘下，watchdog的超時時間是0．84s(該時間隨輸入時鐘而改變)。通常情況下，調(diào)度程序(scheduler)會周期性地對watchdog定時器進行復位，但當程序處理一個較長的任務(wù)(task)如io in()時，則有可能終止watChdog定時器，這將導致整個節(jié)點的復位。為避免產(chǎn)生這種情況，同時使程序盡可能多地接收到達的數(shù)據(jù)，本節(jié)點程序在接收數(shù)據(jù)這個任務(wù)中周期性地調(diào)用函數(shù)watchdog update()。
4 結(jié)論
本文所設(shè)計接口卡的主要目的是為帶有USB接口的便攜設(shè)備進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量和現(xiàn)場監(jiān)測提供高速、安全的通信接口。解決了令工程師頭痛的便攜設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備采用通用串口通信時傳輸速率低、經(jīng)常掉線、連接不可靠的問題。
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